正弦信号发生器
姜守军
指导教师：张珂
摘要
本设计基于DDS芯片AD9854和单片机芯片ATS52设计信号发生器。
该发生器能够稳定输出电压峰-峰值6V的正弦信号、1MHz—10Mhz的模拟幅度调制(AM)信号、100KHz固定载波二进制PSK、ASK信号，并能适时显示正弦信号发生器的频率。本设计采用模块化的设计思想，包括DDS信号发生电路，单片机控制电路，调制信号产生电路等功能模块。单片机主要用做控制DDS和频率显示，DDS经七阶椭圆函数低通滤波器型和放大器可产生2.2V左右稳定的正弦波信号，该信号经不同功能模块可产生题目所要求的信号。本信号发生器经过软件、硬件的综合调试，能准确地用单片机控制，能产生1kHz---100MHz正弦波信号。整个系统较好的实现了题目的要求，大部分性能指标已完成或超过任务书指标。
关键词：直接数字频率合成（DDS）、AD9854、ATS52
一．方案设计与论证
1．波形生成子系统的实现方案
该子系统是该波形发生器的核心组成部分。任务书中所说的定量指标要求与该子系统的实现原理有直接的关系。该题要求频率稳定度 ，一般的RC震荡器难以达到 的稳定度，如果采用这类震荡器，需要配以测频系统去监测频率值，或采用反馈的稳频系统。采用频率合成技术可以很容易满足这一稳定度的要求。我们考虑了两种DDS的实现方案。 1.1 DDS技术的基本原理：
DDS的基本工作原理是在采样时钟信号的控制下，通过由频率码控制的相
位累加器输出相位码，将存储于只读存储器中的波形量化采样数据值按一定的规
律读出，经过D/A转换和低通滤波后输出正弦信号。其原理框图1如下：
图一
DDS器件的具体工作过程是每当输入一个时钟脉冲，相位累加器的输出
就增加一个步长的相位增值量，在波形存储器中存储着一张函数查询表，对应不同的相位码输出不同的幅度编码。频率控制字K决定相应的步进量。根据相位累加器的输出对波形存储进行寻址，使波形存储器输出相应的幅度编码，然后再经过数模转换，滤波器滤波。就得到所需的频率信号。
方案一：采用一般的集成电路。 原理图如下： C加相位波形D/A低通相位增输出 P法寄存存储变换滤波量寄存 器 U 器 器 器 器 器 图2 可预置分频器 晶振 采用了CPLD实现相位累加运算和可编程时钟电路功能。CPU不断改变DDS的输出频率，以达到步进要求。可预置分频器用于频率范围的换挡。该方案成本较低，但是要构成10位以上D/A的DDS系统，电路的复杂程度将大大增加。
方案二：采用集成芯片。
现在有很多专用DDS芯片，我们选了AD公司的AD9854。AD9854 DDS是高度集成化的芯片。它把DDS技术和高速D/A转换器结合在一起形成一个全数字化可编程的频率合成器。DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率。价格虽然比较昂贵，但是性能还是很可靠的。
2．输出信号频率稳定度测试方案 频率稳定度是指在一段时间内测量频率相对于稳定温度下标称值的最大
允许频率偏差 ，是反映信号质量的重要指标之一。
方案一：采用传统阿伦方差测量方法。频率稳定度在时域中表现为阿伦方
差，在频域中的表征为谱密度函数。采用这种传统的测量方法需借助一定的专用硬件设备来测量一段时间内的平均频率。这种方法可以测高频信号的稳定度，但是成本较高，灵活性差。
方案二：利用李萨如图形测频率稳定度。 该方法操作简单易行，精度也比较高 。利用示波器作为图示仪，秒表作为计时工具。荧光屏上显示的任意两个时间函数之间是有一定数学关系的。根据这种关系，我们很容易算出输出信号频率稳定度。 3．电平转换电路
AD9854输出的逻辑电平为3.3V，而我们准备的单片机板输出逻辑电平为
5V。因此要用单片机控制DDS芯片，就必须要将5.0V电平转化为3.3V电平去控制DDS芯片。解决3.3V电平问题，我们想出了以下几种方案：
方案一：电阻分压。成本较低且结构简单。实验时单片机P1口（有上拉
电阻）不能驱动该电路而且单片机其他资源另有用途，因此我们放弃了该方案。
图3 +
方案二：采用集成芯片，如SN54LVTH16625。这种电源模块使用方便可靠性和频率特性都很好，电磁辐射小 而且很多模块都可以实现电源隔离。
方案三：用门电路芯片。根据经验：SN74HC04（反相器）可以在2~6V电压下正常工作。单片机P1口有上拉电阻且驱动能力很小，一般不会将反相器损坏。实验发现该方案是可行的，输出逻辑电平正确且没有发现两个两个电源间电流互串现象。
专用芯片没有买的到。因此我们只有采用第三个方案。 4．调制信号产生电路的设计
一般采用模拟分立元件可产生各种波形，例如用文氏电桥振荡器作正弦信
号源。一个系统可以用模拟技术完成，也可以用数字技术完成，这是两种不同的实现方法。一般来说，用数字技术实现有很多优点的。例如，数字系统对元器件参数的依赖较少，系统的抗干扰性较强，一般情况下，只要设计正确，成功的可能性较大。目前数字电路技术成熟，集成度高，使得系统的器件量大大减少。
采用多谐振荡器产生方波去控制高速开关4066，从而产生我们所需的调制信号原理图如
下 图5 多振荡器谐 4.2模拟调制信号源可采用专用信号源芯片。我们选用ICL8038来产生1KHZ的正弦调制信号。经过查阅资料知道，该芯片主要指标 ：最佳工作状态为充电电流为
1mA；频率范围：0.001~300KHZ；失真度：1%；线形度：0.1%；能够满足设计要求。输出频率按照F=0.33/（RC） ，其电路图6.：
图6 实现1KHz正弦波的发生。指标均能达到要求。 1000HZ=0.33/（RC），而且要求工作电流接近1mA。我们采用了以上参数
的设计，即有0.33/（15000*0.0022）=1000HZ。实验观察到输出波形稳定没有失真现象，可以采用该调制信号。
二．系统总体方案设计
整个系统工作后,单片机初始化DDS、对LCD进行初始化，预置完毕后向
单片机发出一应答.然后向DDS频率控制寄存器写入频率数据，启动DDS输出功能，并把频率显示在LCD上。然后进入键盘扫描程序，判断按键按下，如有有效键按下，则单片机送出相应数据刷新DDS输出频率和LCD显示，完成后返回键盘扫描程序处于等候状态。
DDS出来的信号经过一系列转换，变换成任务书中所要求的信号。总体设计方案原理图如下（图7） 正弦信号 放大滤波 LCD显示放 放大大 5K方波 ASK PSK 切换滤信号 电路 波 MCU DDS 模拟 模拟幅度调制（AM）信乘法号 器 键盘 D/A 幅度调节 1KHZ的正弦调制信号
图7
三．理论分析与系统实现
1.AD9854
在本系统的应用电路
DDS的基准信号源决定于整个系统输出的精确度和稳定度，所以在本系统中采用了20.00MHz的晶体振荡器作为DDS的基准信号源，精度和稳定度是非常高，抗干扰也是比较好。使得整个系统输出的频率是那么的精确稳定。AD9854的功能是很强大的，我们只用了它的部分资源。
AD9854的输出信号为电流型信号，最大输出电流为20mA，正常时输出电流为10 mA.输出电流控制可通过管脚39（RSET）连接的电阻实现。电阻值由下式算出
制，因此后面需要滤波放大。
。我们取
=3.9K输出端的电压有限
2. 滤波放大模块
滤波器是设计的一个难点。由于D/A输出的信号中包含着丰富的高次频谱分量和系统时钟的干扰低通滤波器可以很好的滤除杂波使输出平滑信号。为了使滤波器的衰减特性要陡直，设计上采用了7阶椭圆函数低通滤波器。椭圆函数滤波器的衰减可表示为：阶 椭圆函数。
，是纹波因数
是 N
计算比较困难，需要查椭圆函数滤波器表格，利用表格的
数据计算。然而，计算出的参数不能直接应用，计算出的电感电容值不容易获得，这样就必须进行变换 。实际的元器件并非理想，电感还会有损耗电阻和分布电容，再高频电路中将会严重影响滤波器的频率响应特性导致阻带的衰减特性降低等不良现象。
因此我们参考了芯片英文资料中设置的参数。本文设计的低通滤波器的阶数为7阶，截止频率约为120MHZ，其通带波纹系数小于0.30dB，具有良好的伏频特性和快速的衰减速率。对高频信号的滤波作用明显
图8 七阶椭圆函数低通滤波器
因为DDS源内阻较大，为减小放大电路的输入电阻，使电路获得更大的输入电流，应引入并联负反馈；负载需要稳定的电压信号，应该引入电压负反馈。
实际高频电路中经常引入电压负反馈来扩展频带减小非线性失真提高电路的工作稳定性，但设计电路时要注意减小电路的噪声。我们采用了以下电路图
图9 前级电压放大电路
DDS输出的信号约为300mV，需要将它放大该电路的输入阻抗为51欧，反馈电
阻为390欧。因此该放大器的放大倍数为F=390/51=7.65倍
5、模拟幅度调制电路图电压放大模块
6.模拟幅度调制电路图
电压放大模块
DDS出来的信号经过电压并联负反馈后出来的电压峰峰值已达到2.2V。在带50欧负载时幅值几乎不受频率影响。但是要达到发挥部分的要求，必须再将信号放大。在功率放大电路中采用了推挽式甲乙类功率放大器，为了在输入正弦波极力激励下，输出合成电压波形将在衔接处出现严重交越失真。再输入端为两管子加合适的正向偏置电压，使他们工作在甲乙类状态。上下两部分电路相互补偿，合成传输特性趋近于直线，再输入正弦电压激励下，
得到不失真的输出电压。
经过前置放大后信号幅度已经达到2.2~2.4V,幅度随频率变化范围很小.
我们在这里采用大功率管,再将信号放大3倍.在加上50欧负载时,幅度达到了任务书上的要求.（实验数据及波形图见系统调试部分）
我们给该信号发生器增加了一个可输出TTL方波的功能。经过放大的正弦波再叠
加2.5V的直流电压，将该电压送入非门。非门阀值电压在2.5V左右，利用非门的这种特性很好的将正弦波转化为TTL方波输出去。该电路图如下：
产生二进制PSK/ASK信号模块
我们用采用了非对称式多谐振荡器作为二进制基带序列信号源。在它的输出端再连接两个非门。在每个非门后面分别引出线去控制74HC4066产生PSK信号。ASK信号可以直接从振荡器后面引出信号去控制模拟开关，从而产生所需要的ASK信号。（74HC4066为高速模拟开关）原理图如下：
振幅键控制信号（ASK）有两种情况，我们采用振幅键控等幅信号。当数字调制信号为1时，有高频等幅信号存在；当数字信号为0时，无高频信号存在。 实验所拍摄的波形图如
ASK波形图
相位键控制信号（PSK）的高频频率是不受数字控制的，相位受1，0码的控制。PSK,二进制移相键控方式，是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数
字调制方式。就是根据数字基带信号的两个电平(或符号)使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。两个载波相位通常相差180度，此时称为反向键控(PSK),也称为绝对相移方式。我们用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。实验时所拍摄到的波形如下：
PSK波形图
四．程序设计及软件流程图
功能选择 N 判断是否频率增 Y 判断频率增 判断 是否是否 N N 判断频率是 N 减 是否PSK N 是 Y N 判断是否ASK 判断 Y 频率减 程控调节复位 Y PSK Ma ASK Y Y 调节 Ma 回到设定频率 五．系统调试
1．测试方法：先将各个功能模块分别调试，通过后在将各模块组装，进行总体调试，最后将软件硬件联合调试。 2．随机测试数据表格： 频率：步进100Hz，起始频率1KHz : 理论值 测试值 1KHz 999.999Hz 1.1KHz 1.0999KHz 1.2KHz 1.1999 KHz 1.3KHz 1.2999 KHz 1.4KHz 1.3999 KHz 1.5KHz 1.4999 KHz 1.6KHz 1.5999 KHz 1.7KHz 1.6999 KHz 1.8KHz 1.7999 KHz 1.9KHz 1.99KHz 2.0KHz 2.0000KHz 步进100Hz,起始频率100KHz: 理论值 测试值 100KHz 100.0000KHz 100.1KHz 100.1000KHz 100.2KHz 100.2000KHz
100.3KHz 100.4KHz 100.5KHz 100.6KHz 100.7KHz 100.8KHz 100.3000KHz 100.4000KHz 100.5000KHz 100.6000KHz 100.7000KHz 100.8000KHz 4．测试性能总结：从指标来看我们很多方面的指标都达到或超过题目要求。只是由于时间紧迫，没有实现模拟信号的频率调制部分 。但是我们还增加了一个TTL 输出功能。 5．误差分析及抗干扰措施：
我们实验时主要误差来自外界的电磁干扰，实验室使用了很多开关电源，电磁噪声
干扰很大。 在抗干扰方面我们主要采取了如下措施：
由于AD9854是贴片式的体积非常小，引脚排列比较密，焊接时必须小心，还要防静电击穿，焊接不好就很容易把芯片给烧坏。还有在使用中数据线、电源等接反或接错都很容易损坏芯片。所以在AD9854外围采用了电源、输入、输出、数据线的保护电路。为了不受外界干扰，添加了不少的滤波电路，显得整个电 很完美。
MC1496应用于高频电路时，电源需要良好的去耦滤波，滤波电容应采用高频瓷片电容，电容应紧靠芯片的电源引脚；电路板布局时，高频输入与输出线之间应尽量分离；电路布线应尽量短；并应良好接地。
DDS正弦波信号发生器技术指标：
1.频率范围：10HZ ~ 100MHz 2.频率稳定度：优于0.01%
3.输出正弦信号峰峰值（50欧负载）：大于6V 4.频率步进间隔：100
5.频率控制方式：串行码方式，由外接单片机控制。 6.电源电压：+5V +3.3V +12V –12V 7.外形尺寸：30*20*10 (cm)
8．键盘：
1号键：数字1，频率增加 2号键：数字2，频率减少 3号键：数字3 4号键：数字4，PSK信号启动 5号键：数字5，调制度程控调节 6号键：数字6 7号键：数字7 8号键：数字8 9号键：数字9 0号键：数字0 M键：频率单位为MHz K键：频率单位为KHz
H键：频率单位为Hz R键：复位键
六．结束语
本文介绍了DDS芯片AD9854的原理和特点，设计了单片机控制的DDS电路，试验证明该电路设计正确。利用这一电路，通过键盘输入不同的频率控制字就可以改变输出信号的频率(10HZ~100MHZ)，加上键盘和显示电路就是一个简单的频率合成器，其分辨率可达到0.001Hz。DDS具有许多优点，但是它的输出频率受到奈奎斯特采样定理的，fomax≈0.4fsys。由于它内部有时钟倍乘器，可以不受外部输入时钟的，但要受到内部时钟和外部低通滤波器的。只要内部的工作时钟频率很高，就可以得到很宽的输出频率范围。
附件 1 硬件电路图
（注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）